웨스트버지니아 대학교는 충돌 위험을 줄이기 위해 인공 지능 기반 우주 레이저를 사용하여 우주 잔해의 방향을 바꾸는 방법을 연구하고 있습니다. NASA의 지원을 받는 이 프로그램은 모든 크기의 잔해를 처리하는 것을 목표로 하며 현재 알고리즘과 모델을 검증하고 있습니다.
지구의 낮은 궤도는 우주 자산에 위협이 되는 쓰레기로 가득 차 있습니다. 웨스트 버지니아 대학의 새로운 연구에서는 우주 기반 레이저가 위성이나 우주 정거장과 같은 물체와 충돌할 수 있는 궤도에서 작은 입자나 큰 잔해 조각을 제거할 수 있는지 여부를 조사합니다. 이미지 출처: 웨스트 버지니아 대학교 일러스트레이션/Savanna Leech
연구가 성공적인 것으로 입증되면 우주 레이저의 조정된 네트워크는 지구 궤도를 어지럽히고 우주선과 위성에 위협을 가하는 잔해의 방향을 잠재적인 충돌 궤적에서 멀어지게 할 수 있습니다.
웨스트버지니아대학교 우주시스템운영연구소 이항운 소장은 작동하지 않는 인공위성을 포함해 엄청난 양의 인공 잔해가 지구 주변에 쌓이고 있다고 말했다. 궤도에 잔해가 많을수록 그 중 일부가 유인 및 무인 우주 자산과 충돌할 위험이 높아집니다. 그는 이러한 충돌을 방지하는 가장 좋은 방법은 우주 플랫폼에 여러 개의 레이저 어레이를 설치하는 것이라고 믿습니다. 이러한 인공 지능 기반 레이저는 함께 조종하여 어떤 크기의 잔해에도 신속하게 대응할 수 있습니다.
이항운(HangWoon Lee)은 웨스트버지니아 대학교 벤자민 M. 스테이틀러 공학 및 광물자원 대학의 기계 및 항공우주 공학 조교수입니다. 웨스트 버지니아 대학교 우주 시스템 운영 연구소 소장. 이미지 출처: 웨스트 버지니아 대학 사진
NASA 지원 및 연구 발전
Benjamin M. Statler 공학 및 광물 자원 학교 기계 및 항공 우주 공학과의 조교수인 Lee는 잠재적으로 획기적인 연구로 NASA의 권위 있는 2023 Early Career Faculty Award를 수상했습니다. NASA는 최대 3년 동안 연간 20만 달러를 Lee의 신속 대응 잔해 제거 연구에 자금을 지원하고 있습니다.
작업은 현재 초기 단계에 있으며 팀은 레이저 시스템을 실행하기 위해 개발하려고 제안한 알고리즘이 효율적이고 비용 효과적인 솔루션인지 여부를 검증하고 있습니다. Li는 "우리의 장기 목표는 '여러 우주 기반 레이저가 궤도 기동을 적극적으로 수행하고 궤도 잔해를 공동으로 처리하는 것'입니다. 이는 적시에 고가치 우주 자산과의 충돌을 피하는 데 도움이 될 것입니다"라고 말했습니다. "현재 목표는 재구성 가능한 우주 기반 레이저 네트워크와 일련의 알고리즘을 개발하는 것입니다. 이러한 알고리즘은 이러한 네트워크를 가능하게 하고 그 이점을 극대화할 수 있는 기술이 될 것입니다."
점점 커지는 우주 쓰레기 문제
자연 물체(예: 미세 유성체)가 인공 물체(예: 발사체 잔해)와 부딪히면 그 결과로 생긴 잔해가 빠르게 퍼질 수 있으며 심지어 페인트 한 점만큼 작은 파편이라도 관측 또는 통신 위성이나 국제 우주 정거장의 측면을 뚫을 수 있는 힘을 가질 수 있습니다. 공간이 점점 더 복잡해지고 있기 때문에 이는 시급한 문제가 되었습니다. 특히 지구의 낮은 궤도는 위성을 사용하여 사용자에게 광대역 인터넷을 제공하는 SpaceX의 Starlink와 같은 상용 통신 시스템을 끌어들였습니다. 저궤도에는 일기 예보 및 토지 피복 분석에 사용되는 위성과 심우주 탐사를 위한 준비 장소도 있습니다.
이 연구원은 "물체 수가 증가하면 충돌 위험이 증가해 유인 임무와 고부가가치 과학 및 산업 임무가 위태로워진다"고 말했다. 그는 우주에서의 충돌이 "케슬러 증후군"으로 알려진 도미노 효과를 유발할 수 있다고 덧붙였습니다. 이는 추가 충돌 위험을 증가시키고 우주를 지속 불가능하고 적대적으로 만드는 연쇄 반응을 촉발합니다.
다른 기술과 비교한 레이저의 장점
다른 연구자들은 갈고리, 작살, 그물, 청소부와 같은 잔해 제거 기술을 개발하고 있지만 이러한 기술은 큰 잔해에만 작동합니다. Lee의 방법은 거의 모든 크기의 잔해를 처리할 수 있어야 합니다.
Li 팀이 개발할 알고리즘 제품군은 잠재적으로 대형 위성에 장착된 레이저에 적용되거나 자체 목적으로 제작된 플랫폼에 장착된 레이저에 전력을 공급할 수 있습니다. 연구의 일환으로 그는 레이저 네트워크가 취할 수 있는 다양한 형태를 평가할 것입니다. 어떤 형태이든 기술은 스스로 많은 결정을 내리고 독립적으로 작업을 수행하며 우선순위를 설정할 수 있습니다.
시스템은 어떤 잔해를 목표로 삼을 레이저 조합을 결정하는 동시에 결과 궤적에 충돌이 없는지 확인합니다.
레이저가 잔해 조각에 닿아도 파괴되지는 않습니다. 대신, 일반적으로 레이저 절제를 통해 잔해물을 새로운 궤도로 밀어냅니다. 이는 레이저 빔이 잔해의 작은 부분을 기화시켜 잔해를 궤도 밖으로 밀어내는 고속 플라즈마 기둥을 생성한다는 것을 의미합니다.
레이저 절제 및 광자 압력 프로세스는 대상 조각의 속도를 변경하여 궁극적으로 궤도의 크기와 모양을 변경합니다. 이것이 레이저를 사용하는 동기입니다. 잔해의 궤도를 변경하는 능력은 레이저 네트워크를 통해 효과적으로 제어될 수 있어 우주 잔해가 이동하거나 궤도에서 벗어나 충돌과 같은 잠재적으로 치명적인 사건을 피할 수 있게 해줍니다."라고 Li는 설명했습니다.
"다중 레이저 시스템을 사용하면 잔해와 접촉할 수 있는 기회가 많아져 보다 효과적인 궤도 제어가 가능해집니다. 다중 레이저는 더 넓은 범위의 강도로 대상에 동시에 작용하여 단일 레이저가 할 수 없는 방식으로 궤도를 변경할 수 있습니다."
Lee는 Fairmont에 본사를 둔 TMC Technologies의 수석 시스템 엔지니어인 Scott Zemerick과 협력하여 "디지털 트윈 환경"에서 프로젝트 전반에 걸쳐 개발된 모든 모델과 알고리즘을 검증할 것입니다. Li는 이를 통해 제품이 비행 소프트웨어에 사용될 수 있도록 보장할 것이라고 말했습니다.